Особенности распространения и излучения звука в воде

Под звуком понимают упругие волны, лежащие в пределах слышимости человеческого уха, в интервале колебаний от 16 гц до 20 кгц. Колебания с частотой ниже 16 гц называются инфра­звуком, свыше 20 кгц—ультразвуком.

Вода по сравнению с воздухом обладает большей плотностью и меньшей сжимаемостью. В связи с этим скорость звука в воде в четыре с половиной раза больше, чем в воздухе, и составляет 1440 м/сек. Частота колебаний звука (ню) связана с длиной вол­ны (лямбда) соотношением: c = лямбда-ню. Звук распространяется в воде без дисперсии. Скорость звука в воде изменяется в зависимости от двух параметров: плотности и температуры. Изменение темпера­туры на 1° влечет за собой соответственное изменение скорости звука на 3,58 м в секунду. Если проследить за скоростью рас­пространения звука от поверхности до дна, окажется, что сна­чала из-за понижения температуры она быстро убывает, достиг­нув на некоторой глубине минимума, а затем, с глубиной, начи­нает быстро возрастать за счет увеличения давления воды, которое, как известно, возрастает приблизительно на 1 атм на каждые 10 м глубины.

Начиная с глубины приблизительно 1200 м, где температура воды практически остается постоянной, изменение скорости зву­ка происходит за счет изменения давления. «На глубине, равной приблизительно 1200 м (для Атлантики), имеется минимум значения скорости звука; на больших глубинах благодаря уве­личению давления скорость звука опять увеличивается. Так как звуковые лучи всегда изгибаются к участкам среды, где их скорость наименьшая, то они концентрируются в слое с мини­мальной скоростью звука» (Красильников, 1954). Этот слой, открытый советскими физиками Л. Д. Розенбергом и Л.М. Бре­ховских, носит название «подводного звукового канала». Звук, попавший в звуковой канал, может распространяться без ослабления на огромные расстояния. Эту особенность необходи­мо иметь в виду при рассмотрении акустической сигнализации глубоководных рыб.

Поглощение звука в воде в 1000 раз меньше, чем в воздухе. Источник звука в воздухе мощностью в 100 квт в воде слы­шен на расстоянии до 15 км; в воде источник звука в 1 квтслышен на расстоянии 30—40 км. Звуки различных частот по­глощаются неодинаково: сильнее всего поглощаются звуки высо­ких частот и мгнее всего — низкие звуки. Малое поглощение звука в воде позволило использовать его для гидролокации и сигнализации. Водные пространства наполнены большим коли­чеством различных звуков. Звуки водоемов Мирового океана, как показал американский гидроакустик Венц (Wenz, 1962), возникают в связи со следующими факторами: приливами и от­ливами, течениями, ветром, землетрясениями и цунами, инду­стриальной деятельностью человека и биологической жизнью. Характер шумов, создаваемых различными факторами, отли­чается как набором звуковых частот, так и их интенсивностью. На рис. 2 показана зависимость спектра и уровня давления зву­ков Мирового океана от вызывающих их факторов.

В различных участках Мирового океана состав шумов опре­деляют различные компоненты. Большое влияние при этом на состав звуков оказывают дно и берега.

Таким образом, состав и интенсивность шумов в различных участках Мирового океана исключительно разнообразны. Суще­ствуют эмпирические формулы, показывающие зависимость ин­тенсивности шумов моря от интенсивности вызывающих их факторов. Однако в практических целях шумы океана измеря­ются обычно эмпирически.

Следует отметить, что среди звуков Мирового океана наи­большей интенсивностью отличаются индустриальные звуки, со­здаваемые человеком: шум кораблей, тралов и т. д. По данным Шейна (1964), они по интенсивности в 10—100 раз превышают иные звуки Мирового океана. Однако, как видно из рис. 2, их спектральный состав несколько отличается от спектрального состава звуков, вызываемых другими факторами.

Состав шумов океанов

При распространении в воде звуковые волны могут отра­жаться, преломляться, поглощаться, испытывать диффракцию и интерференцию.

Встречая на своем пути препятствие, звуковые волны могут отразиться от него в случае, когда длина их волны (лямбда) меньше размера препятствия, или обогнуть (диффрагировать) его в слу­чае, когда их длина волны больше препятствия. В этом случае можно слышать то, что происходит за препятствием, не видя источника непосредственно. Падая на препятствие, звуковые волны в одном случае могут отразиться, в другом — проникнуть в него (поглотиться им). Величина энергии отраженной волны зависит от того, как сильно разнятся между собой так называ­емые акустические сопротивления сред «р1с1» и «р2с2», на гра­ницу раздела которых падают звуковые волны. Под акустиче­ским сопротивлением среды подразумевается произведение плотности данной среды р на скорость распространения звука с в ней. Чем больше разница акустических сопротивлений сред, тем большая часть энергии отразится от раздела двух сред, и наоборот. В случае, например, падения звука из воздуха, рс ко­торого 41, в воду, рс которой 150 000, он отражается согласно формуле:

Несмотря на это, голос человека может быть хорошо услы­шан при помощи звукоприемников, помещенных под воду.

В связи с указанным звук гораздо лучше проникает в твер­дое тело из воды, чем из воздуха. Из воздуха в воду звук хоро­шо проникает через кусты или камыши, выступающие над водной поверхностью.

В связи с отражением звука от препятствий и его волновой природой может происходить сложение или вычитание амплитуд звуковых давлений одинаковых частот, пришедших в данную точку пространства. Важным следствием такого сложения (ин­терференции) является образование стоячих волн при отраже­нии. Если, например, привести в колебание камертон, прибли­жая и удаляя его от стены, можно слышать из-за появления пуч­ностей и узлов в звуковом поле усиление и ослабление громко­сти звука. Обычно стоячие волны образуются в закрытых емко­стях: в аквариумах, бассейнах и пр. при относительно длительном по времени звучании источника.

В реальных условиях моря или другого естественного водо­ема при распространении звука наблюдаются многочисленные сложные явления, возникающие в связи с неоднородностью водной среды. Огромное влияние на распространение звука в естественных водоемах оказывают дно и границы раздела (вода — воздух), температурная и солевая неоднородность, гид­ростатическое давление, пузырьки воздуха и планктонные орга­низмы. Поверхности раздела вода — воздух и дно, а также не­однородность воды приводят к явлениям рефракции (искрив­ление звуковых лучей), или реверберации (многократное отра­жение звуковых лучей).

Пузырьки воды, планктон и другие взвеси способствуют по­глощению звука в воде. Количественная оценка этих многочис­ленных факторов в настоящее время еще не разработана. Учи­тывать же их при постановке акустических опытов необходимо.

Рассмотрим теперь явления, происходящие в воде при излу­чении в ней звука.

Представим себе звуковой источник как пульсирующую сфе­ру в бесконечном пространстве. Акустическая энергия, излучае­мая таким источником, ослабляется обратно пропорционально квадрату расстояния от его центра.

Энергия образующихся звуковых волн может быть охарак­теризована тремя параметрами: скоростью, давлением и смеще­нием колеблющихся частиц воды. Два последних параметра представляют особый интерес при рассмотрении слуховых спо­собностей рыб, поэтому на них остановимся более подробно.

По Гаррису и Бергельджику (Harris a. Berglijk, 1962), рас­пространение волн давления и эффекта смещения по-разному представлены в ближнем (на расстоянии менее одной длины волны звука) и дальнем (на расстоянии, более одной длины вол­ны звука) акустическом поле.

В дальнем акустическом поле давление ослабляется обратно пропорционально расстоянию от источника звука. При этом в дальнем акустическом поле амплитуды смещения прямо пропор­циональны амплитудам давления и связаны между собой фор­мулой:

где Р — акустическое давление в дин/см 2 ;

d— величина смещения частиц в см.

В ближнем акустическом поле зависимость между амплиту­дами давления и смещения иная:

где Р—акустическое давление в дин/см 2 ;

d — величины смещения частиц воды в см;

f — частота колебаний в гц;

рс — акустическое сопротивление воды, равное 150 000 г/см 2 •сек 2 ;

лямбда — длина волны звука в м; r — расстояние от центра пульсирующей сферы;

i=SQR•i

Из формулы видно, что амплитуда смещения в ближнем аку­стическом поле зависит от длины волны, звука и расстояния от источника звука.

На расстояниях, меньших, чем длина волны рассматриваемо­го звука, амплитуда смещения убывает обратно пропорциональ­но квадрату расстояния:

где А — радиус пульсирующей сферы;

Д — увеличение радиуса сферы за счет пульсации; r — расстояние от центра сферы.

Рыбы, как будет показано ниже, обладают двумя разными типами приемников. Одни из них воспринимают давление, а другие — смещение частиц воды. Приведенные уравненияимеют поэтому большое значение для правильной оценки ответных реакций рыб на подводные источники звука.

В связи с излучением звука отметим еще два явления, свя­занные с излучателями: явление резонанса и направленности излучателей.

Излучение звука телом происходит в связи с его колебания­ми. Каждое тело имеет собственную частоту колебаний, опреде­ляемую размером тела и его упругими свойствами. Если такое тело приводится в колебание, частота которого совпадает с его собственной частотой, наступает явление значительного увели­чения амплитуды колебания — резонанс. Применение понятия о резонансе позволяет охарактеризовать некоторые акустические свойства излучателей и приемников рыб. Излучение звука в воду может быть направленным и ненаправленным. В первом случае звуковая энергия распространяется преимущественно в определенном направлении. График, выражающий простран­ственное распределение звуковой энергии данного источника звука, называют диаграммой его направленности. Направлен­ность излучения наблюдается в случае, когда диаметр излучате­ля значительно больше длины волны излучаемого звука.

В случае ненаправленного излучения звуковая энергия рас­ходится во все стороны равномерно. Такое явление происходит в случае, когда длина волны излучаемого звука превосходит диаметр излучателя лямбда>2А. Второй случай наиболее характерен для подводных излучателей низкой частоты. Обычно длины волн низкочастотных звуков бывают значительно больше размеров применяемых подводных излучателей. Такое же явление харак­терно и для излучателей рыб. В этих случаях диаграммы на­правленности у излучателей отсутствуют. В настоящей главе были отмечены лишь некоторые общие физические свойства зву­ка в водной среде в связи с биоакустикой рыб. Некоторые более частные вопросы акустики будут рассмотрены в соответствую­щих разделах книги.

В заключение рассмотрим применяемые различными автора­ми системы измерений звука. Звук может быть выражен его ин­тенсивностью, давлением или уровнем давления.

Интенсивность звука в абсолютных единицах измеряется или числом эрг/сек-см 2 , или вт/см 2 . При этом 1 эрг/сек=10 -7 вт.

Давление звука измеряется в барах.

Между интенсивностью и давлением звука существует зави­симость:

пользуясь которой можно переводить эти величины одну в дру­гую.

Не менее часто, особенно при рассмотрении слуха рыб, в связи с огромным диапазоном пороговых величин звуковое дав­ление выражают в относительных логарифмических единицах децибеллах, дб. Если звуковое давление одного звука Р, а друго­го Ро, то считают, что первый звук громче второго на k дб и вы­числяют его по формуле:

Большинство исследователей при этом за нулевой отсчет давле­ния звука Ро принимают пороговую величину слуха человека, равную 0,0002 бара для частоты 1000 гц.

Достоинством такой системы является возможность непо­средственного сопоставления слуха человека и рыб, недостат­ком — сложность сопоставления полученных результатов по зву­чанию и слуху рыб.

Фактические величины звукового давления, создаваемого ры­бами, на четыре — шесть порядков выше принятого нулевого уровня (0,0002 бара), а пороговые уровни слуха различных рыб лежат как выше, так и ниже условного нулевого отсчета.

Поэтому для удобства сопоставления звуков и слуха рыб американские авторы (Tavolga a. Wodinsky, 1963, и др.) поль­зуются другой системой отсчета.

За нулевой уровень отсчета принято давление звука в 1 бар, который на 74 дб выше ранее принятого.

Ниже приводится примерное соотношение обеих систем.

Фактические величины по американской системе отсчета в тексте помечены звездочкой.